文/胡藍(lán)月 戴敬宜

2022年11月29日23時(shí)08分，長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭托舉神舟十五號(hào)載人飛船起飛，飛船順利進(jìn)入預(yù)定軌道并與空間站對(duì)接。11月30日7時(shí)33分，神舟十五號(hào)載人飛船艙門(mén)開(kāi)啟，航天員費(fèi)俊龍、鄧清明、張陸進(jìn)入“天宮”，與神舟十四號(hào)乘組3名同事激動(dòng)擁抱。中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)空間站三艙三船構(gòu)型及6名航天員“太空會(huì)師”。

這是中國(guó)開(kāi)展的第十次載人航天飛行任務(wù)，可以說(shuō)是空間站建造階段的“最后一棒”，也是空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的“第一棒”?！吧袷濉背私M將在軌生活6個(gè)月，開(kāi)展空間站三艙狀態(tài)長(zhǎng)期駐留的驗(yàn)證工作，進(jìn)行40余項(xiàng)空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)，驗(yàn)證貨物氣閘艙出艙工作模式，還將迎接天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船、神舟十六號(hào)載人飛船，計(jì)劃于2023年5月返回地面。

▲ 兩批航天員在軌交接

“生命之舟”天上聚首

神舟系列載人飛船由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙構(gòu)成，共有14個(gè)分系統(tǒng)，是我國(guó)可靠性、安全性要求最嚴(yán)苛的航天器。

神舟十五號(hào)載人飛船曾是“打一備一”的應(yīng)急救援飛船。其實(shí)，每艘神舟飛船在上天前都要經(jīng)歷“轉(zhuǎn)正”的過(guò)程。作為應(yīng)急救援飛船時(shí)，神舟十五號(hào)載人飛船已經(jīng)具備發(fā)射條件，被封存在恒溫恒濕的潔凈軟罩里。正式進(jìn)入發(fā)射流程后，在完成檢查、測(cè)試、加注等一系列工作后，飛船被裝入整流罩內(nèi)，與豎立在廠房中的長(zhǎng)二F火箭合二為一。

“神十五”發(fā)射面臨著接近零下20攝氏度的嚴(yán)寒挑戰(zhàn)，發(fā)射場(chǎng)配置了兩套整流罩內(nèi)送風(fēng)設(shè)備，按照溫度上限進(jìn)行送風(fēng)，為航天員提供溫暖舒適的環(huán)境。同時(shí)，針對(duì)待發(fā)段可能出現(xiàn)送風(fēng)溫度偏低的故障情況，團(tuán)隊(duì)制定了風(fēng)險(xiǎn)控制預(yù)案，保證返回艙和推進(jìn)艙推進(jìn)劑溫度滿(mǎn)足發(fā)射要求。

發(fā)射前6個(gè)小時(shí)，操作人員在飛船軌道艙內(nèi)安裝了一些“時(shí)鮮”物資，包括生物實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的線蟲(chóng)、植物，對(duì)環(huán)境要求很高。為此，科研人員打造了一條運(yùn)輸“冷鏈”，在發(fā)射前快速裝貨，確保時(shí)效性。享受類(lèi)似待遇的還有新鮮水果，作為空間站里最受航天員歡迎的食品之一，蘋(píng)果、葡萄等以最新鮮飽滿(mǎn)的狀態(tài)抵達(dá)空間站。飛船內(nèi)還有食品加熱裝置，可以保證航天員享用飲食更舒心。

神舟十五號(hào)載人飛船與空間站組合體前向?qū)?，與“神十二”任務(wù)相同，但空間站組合體的重量從約40噸增至近百?lài)崳瑢?duì)接過(guò)程中的撞擊力更強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)更大。為此，研制隊(duì)伍在地面通過(guò)捕獲緩沖試驗(yàn)，驗(yàn)證了對(duì)接機(jī)構(gòu)在31種工況下的捕獲緩沖能力，運(yùn)動(dòng)精度橫向偏差可以控制在1毫米以?xún)?nèi)，角度偏差控制在0.1度以?xún)?nèi)。這個(gè)批次4艘神舟飛船的對(duì)接能力從8噸級(jí)覆蓋至180噸級(jí)，在交會(huì)對(duì)接微波雷達(dá)、聲表濾波器、高精度加速度計(jì)等一系列設(shè)備助力下，可以安全對(duì)接空間站。

▲ 長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭托舉神舟十五號(hào)載人飛船升空

本次任務(wù)中，中國(guó)空間站第一次同時(shí)停靠2艘神舟飛船在軌工作，給飛船身份識(shí)別和在軌控制帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。從外觀看，“神十四”“神十五”完全一樣。在空間站內(nèi)，航天員交接期間在艙門(mén)口貼了“門(mén)牌號(hào)”，確保不會(huì)進(jìn)錯(cuò)門(mén)。在飛控中心，研制人員為區(qū)分“兩兄弟”，給每艘飛船一個(gè)特定的標(biāo)識(shí)符，像身份證號(hào)一樣加入上行、下行的信息中，避免天地?cái)?shù)據(jù)傳輸混淆，清晰高效地同時(shí)控制兩艘飛船在軌工作。

航天員輪換期間，空間站通過(guò)不同的對(duì)接總線代傳兩船遙測(cè)，確保兩船信息傳輸?shù)奈ㄒ恍院驼_性。空間站系統(tǒng)同時(shí)向兩船通風(fēng)熱支持，送風(fēng)量根據(jù)兩船不同的熱環(huán)境進(jìn)行合理分配，且可根據(jù)需求進(jìn)行分檔調(diào)節(jié)。此外，研制人員為兩船在軌制定了緊急撤離方案，統(tǒng)籌考慮6名航天員與2艘載人飛船的撤離時(shí)序，通過(guò)大量模擬推演保障航天員的生命安全。

在軌任務(wù)期間，“神十五”采用并網(wǎng)供電工作模式，可根據(jù)任務(wù)適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。值得注意的是，飛船的并網(wǎng)供電策略不是一味地要求空間站提供最大的能量，而是根據(jù)空間站組合體不同的運(yùn)行狀態(tài)和飛船太陽(yáng)帆板遮擋情況，結(jié)合飛船工作模式，既能維持飛船系統(tǒng)穩(wěn)定停靠運(yùn)行，又盡量給空間站“減負(fù)”，屬于動(dòng)態(tài)用電模式。

為了高效滿(mǎn)足神舟飛船滾動(dòng)生產(chǎn)、“打一備一”的任務(wù)需求，研制人員實(shí)現(xiàn)了酒泉-北京異地“云測(cè)試”和“云飛控”。所謂“云測(cè)試”，就是團(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干無(wú)論身處何處，都能為飛船做“體檢”；所謂“云飛控”，意味著飛船完成關(guān)鍵動(dòng)作期間能得到權(quán)威專(zhuān)家全力支持。

▲ 兩批乘組“太空會(huì)師”期間，空間站實(shí)現(xiàn)三艙三船構(gòu)型

后續(xù)，“打一備一”、兩船同時(shí)停靠、6名航天員在軌交接的運(yùn)行模式將成為空間站新常態(tài)。神舟載人飛船研制團(tuán)隊(duì)全面實(shí)現(xiàn)了覆蓋產(chǎn)品研制過(guò)程、AIT、發(fā)射場(chǎng)、飛控等全流程的批產(chǎn)技術(shù)流程優(yōu)化，大大提高了飛船研制效率和效益，使載人飛船出廠前的研制流程由17個(gè)月減少至14個(gè)月，發(fā)射場(chǎng)測(cè)發(fā)流程由59天優(yōu)化至46天。

新一批次6艘神舟飛船將在不久后以嶄新的姿態(tài)亮相航天舞臺(tái)。目前，神舟十六號(hào)飛船已經(jīng)總裝測(cè)試完畢，作為應(yīng)急救援飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心待命；神舟十七號(hào)、神舟十八號(hào)、神舟十九號(hào)飛船正在滾動(dòng)研制中。

從2021年4月天和核心艙發(fā)射到此次任務(wù)實(shí)施，在19個(gè)月內(nèi)，中國(guó)密集實(shí)施11次發(fā)射、7次航天員出艙，4個(gè)乘組12名航天員接續(xù)在軌工作，如期完成空間站“T”字基本構(gòu)型組裝建造。接下來(lái)，空間站將轉(zhuǎn)入為期10年以上的應(yīng)用與發(fā)展階段，初步計(jì)劃每年發(fā)射2艘載人飛船和2艘貨運(yùn)飛船。

如何管好用好中國(guó)空間站？除了天地加強(qiáng)溝通協(xié)作外，航天科技集團(tuán)五院總體設(shè)計(jì)部建立了全壽命周期數(shù)字化空間站模型，將數(shù)字空間站與在軌空間站、地面電性空間站共同構(gòu)成運(yùn)營(yíng)體系，提供任務(wù)前的仿真預(yù)示、任務(wù)中的數(shù)字伴飛、任務(wù)后的狀態(tài)評(píng)估等支持，助力飛行任務(wù)成功，極大提升了空間站研制和運(yùn)營(yíng)效率，相關(guān)成果已直接推廣應(yīng)用于后續(xù)載人登月與深空探測(cè)任務(wù)。

▲ 神舟十五號(hào)載人飛船測(cè)試中

▲ 飛往空間站途中的航天員

▲ 神舟十五號(hào)載人飛船對(duì)接空間站組合體

關(guān)鍵之“戰(zhàn)”“神箭”再升級(jí)

長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭是中國(guó)第一型載人火箭，也是中國(guó)現(xiàn)役唯一具有故障檢測(cè)系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)的火箭。自1999年首飛以來(lái)，它已成功發(fā)射15艘神舟飛船和1個(gè)目標(biāo)飛行器、1個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室，成功率達(dá)100%，享有“神箭”美譽(yù)。

載人航天工程實(shí)施中有兩個(gè)階段最危險(xiǎn)，一是火箭上升段，二是飛船返回段。在火箭上升段，長(zhǎng)二F火箭要經(jīng)受最?lèi)毫拥牧?、熱等環(huán)境考驗(yàn)，溫度高，震動(dòng)量級(jí)大，飛行時(shí)間短，干預(yù)手段有限。曾經(jīng)，長(zhǎng)二F火箭在創(chuàng)新突破的道路上大步向前，它是中國(guó)最早實(shí)現(xiàn)“三垂一遠(yuǎn)”發(fā)射模式的火箭，被新一代運(yùn)載火箭沿用；為長(zhǎng)二F火箭制定的元器件篩選等級(jí)是名副其實(shí)的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，促使一批生產(chǎn)廠家提升水平；長(zhǎng)二F火箭還是最早推行軟件工程化的型號(hào)，為后續(xù)火箭信息化、智能化發(fā)展打下了基礎(chǔ)。如今，長(zhǎng)二F火箭的改進(jìn)更加謹(jǐn)慎，許多技術(shù)在其他型號(hào)上反復(fù)打磨驗(yàn)證后才使用，確保安全可靠地把航天員送上太空。

據(jù)悉，這是新批次長(zhǎng)二F火箭和全新的地面設(shè)備首次應(yīng)用于載人發(fā)射任務(wù)，對(duì)比上一發(fā)火箭，進(jìn)行了全面升級(jí)優(yōu)化，其中技術(shù)狀態(tài)改進(jìn)45項(xiàng)，測(cè)發(fā)控、供配氣等地面設(shè)備改進(jìn)11項(xiàng)。火箭研制人員重點(diǎn)消除一些發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)到的薄弱環(huán)節(jié)，在提高可靠性方面進(jìn)行了26項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)變化和更改。目前，火箭的可靠性指標(biāo)提升至0.9895，安全性指標(biāo)達(dá)0.99996。

一直以來(lái)，長(zhǎng)二F火箭都是“零窗口”發(fā)射。長(zhǎng)二F火箭副總設(shè)計(jì)師劉烽介紹，本次任務(wù)采用起飛時(shí)間偏差修正技術(shù)，即便火箭點(diǎn)火時(shí)間出現(xiàn)偏差時(shí)，仍可以在一定范圍內(nèi)自動(dòng)修正軌道，完成入軌和交會(huì)對(duì)接任務(wù)。通過(guò)調(diào)整火箭飛行參數(shù)，保證入軌點(diǎn)的指標(biāo)要求，確?；鸺胲壘?，為拓寬火箭發(fā)射窗口打下了基礎(chǔ)。

研制人員還對(duì)火箭的遙測(cè)系統(tǒng)發(fā)射機(jī)、導(dǎo)航接收機(jī)完成了改進(jìn)升級(jí)，進(jìn)一步拓展了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的接收通道數(shù)量，火箭的入軌精度也更高。

長(zhǎng)二F火箭控制系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師周濤介紹，從長(zhǎng)二F火箭遙八開(kāi)始，火箭制導(dǎo)技術(shù)不斷迭代，在近地點(diǎn)高度200千米的位置，火箭精度能達(dá)到米級(jí)。

此外，發(fā)射場(chǎng)地面測(cè)發(fā)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代。升級(jí)后的地面設(shè)備繼續(xù)沿用1.5千米遠(yuǎn)距離發(fā)控方案，試驗(yàn)隊(duì)對(duì)射前關(guān)鍵設(shè)備采取冗余設(shè)計(jì)，減少單點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，確保火箭順利上天。同時(shí)，云技術(shù)使得信息瀏覽、站點(diǎn)布設(shè)更加方便，極大提升了工作效率和工作體驗(yàn)。

在控制系統(tǒng)上，通過(guò)產(chǎn)品化設(shè)計(jì)，多個(gè)型號(hào)可共用，減少了重復(fù)試驗(yàn)和分析。在確?？煽啃?、安全性、冗余度的基礎(chǔ)上，測(cè)發(fā)控系統(tǒng)地面設(shè)備由50多臺(tái)整合為30多臺(tái)，體量、體積進(jìn)一步減少?？刂葡到y(tǒng)和利用系統(tǒng)融合為一，使崗位人員減少一半?？傊?，火箭的可靠性、安全性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力有所提高，射前發(fā)射流程操作更加自動(dòng)化、更簡(jiǎn)便，降低了人為操作失誤風(fēng)險(xiǎn)。

在空間站運(yùn)營(yíng)階段，長(zhǎng)二F火箭將繼續(xù)采用“發(fā)射1發(fā)、備份1發(fā)”的模式，2發(fā)火箭輪流“站崗”。進(jìn)入值班狀態(tài)的火箭如果接到應(yīng)急救援命令，將迅速完成8.5天發(fā)射流程，實(shí)施應(yīng)急救援發(fā)射，保障航天員的生命安全。